Схема работы двигателя Стирлинга

Мощный двигатель Стирлинга

Новые двигатели современного автомобилестроения почти достигли своего пика, кажется уже нечего усовершенствовать. Добавление в систему ДВС турбонаддува повышает мощность, но уменьшает ресурс двигателя, оно и понятно, объем двигателя небольшой, а из него выжимают мощь, как у мотора большего объема, но без турбины. Инженеры автоиндустрии начинают перебирать все возможные направления в развитие двигателестроения. Некоторые разрабатывают супертопливо, некоторые ищут нестандартные конструкции силового агрегата, некоторые планируют создать современный двигатель на базе двигателя Роберта Стирлинга, который был создан в 19 веке. Сейчас продаются сувениры ДВС, купить двигатель Стирлинга можно и на алиэкспресс.

Схема работы двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга — это устройство, которое преобразует внешнюю энергию в полезную механическую. Это достигается за счет изменения температуры жидкости или газа, циркулирующие в замкнутой системе двигателя.

Кто понимает физические законы, тому легко понять принцип работы любого двигателя. Что касается данного силового агрегата, то схема его выглядит следующим образом: внизу устройства устройства находится газ, например, воздух, который нагревается и расширяясь толкает поршень. Затем горячий воздух попадает в верхнюю часть ДВС и охлаждается радиатором. Избыточное давление, которое толкало поршень снижается, и поршень опускается, затем воздух опять нагревается и поднимает поршень. Так повторяются циклы.

Три основных варианта двигателя Стирлинга

Модификация Альфа

Мотор устроен таким образом, что он имеет и горячий цилиндр-поршень, и холодный цилиндр-поршень. Горячий поршень толкается от расширения воздуха, а холодный расположен в системе охлаждения и движется от остывания воздуха.

Модификация Бета

Данная конструкция предполагает, что цилиндр и поршень нагреваются с одной стороны и охлаждаются с другой. Поршень толкает в сторону холодной части, а вытеснитель толкает в сторону горячей. Регенератор перемещает остывший воздух в горячий рабочий объем цилиндра.

Модификация Гамма

Устройство данной модификации состоит из двух цилиндров и поршней. Имеет регенератор циркуляции газа. Один цилиндр горячий с одной стороны и холодный с другой, в нем поршень и вытеснитель. Второй цилиндр полностью холодный, там только поршень.

Плюсы двигателя Стирлинга

Основной плюс такого типа силового агрегата — это то, что может работать на разных видах топлива. На практике было испытано следующее: во внешнюю камеру устройства подавался сначала бензин, потом дизель, потом метан, потом сырая нефть и растительное масло. Все это делалось без остановки двигателя и он продолжал успешно работать.

Также большим плюсом по сравнению с обычными двух тактными или четыерхтактрыми двигателями внутреннего сгорания является то, что двигателю Стирлинга не нужно дополнительное навесное оборудование, такое как газораспределительный механизм, коробка переключения передач, стартер.

Ресурс двигателя Стирлинга — больше 100 тысяч работы без остановки.

Немаловажный плюс — бесшумность работы. Такой двигатель не нуждается в удалении отработанного газа. В нем не может быть детонации двигателя, вибрация практически отсутствует.

Конструкция двигателя Бета

Преимущество для окружающей среды — это двигатель, который не загрязняет экологию, а значит это залог здоровья.

Минусы двигателя Стирлинга

Невозможно в настоящее время массовое применения данного вида двигателя. Для таких агрегатов требуется большие радиаторы охлаждения. Теплообменник должен быть сделать из материалов, устойчивых к высоким температурным воздействиям.

Коэффициент полезного действия

КПД от разности температур в двигателе может достигать около 70%. По циклу Карно на графике КПД выглядит следующим образом.

На практике был установлен 4-х цилиндровый двигатель Стирлинга на автомобиль был установлен вначале 20 века и выдал 35% КПД.

Американская автомобильная компания Mechanical Technology Inc (Меканикал Технолоджи Инкопорейтед) создает двигатели Стирлинга. Их ДВС выдают КПД 43,5%.

Примеры успешного применения двигателей Стирлинга

Во второй половине 20 века несколько компаний начали разрабатывать моторы Стирлинга и устанавливать их на легковые автомобили.

Успешные модели оказались у таких компаний, как Ford Motor Company, Volkswagen Group, UNITED STIRLING (Швеция), General Motors, модель Стирлинга «Philips 4-125DA» (Нидерланды).

Источник



Воздухонезависимые энергетические установки на основе двигателей Стирлинга

Хоанг, Куанг Лыонг. Воздухонезависимые энергетические установки на основе двигателей Стирлинга / Куанг Лыонг Хоанг. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 38 (328). — С. 19-24. — URL: https://moluch.ru/archive/328/73652/ (дата обращения: 13.06.2021).

Развитие подводной техники во многом зависит от качества энергетического комплекса корабля, подсистемой которого является энергетическая установка (ЭУ). Перечень типов энергоустановок для подводных морских объектов довольно скуден: ядерные и дизель-электрические ЭУ, электрохимические генераторы, аккумуляторные батареи и различные тепловые двигатели замкнутого цикла. В настоящее время в большинстве ведущих кораблестроительных стран наряду с дальнейшим развитием атомного подводного флота уделяется серьезное внимание развитию неатомных подводных лодок (НАПЛ), которые примерно в 10 раз дешевле атомных и способны длительное время находиться в подводном положении и нести различные виды вооружения. НАПЛ, обладая высокой скрытностью, относительной дешевизной постройки и эксплуатации, выдвигаются на ведущие позиции в составе ВМФ разных стран [1].

Энергетические установки НАПЛ в данное время развиваются по двум направлениям. Первое направление характеризуется совершенствованием традиционных дизель-электрических энергетических установок. Второе направление развития энергетических установок НАПЛ связано с дальнейшим совершенствованием воздухонезависимых (анаэробных) ЭУ, которые позволяют создавать подводные лодки по своим оперативно-тактическим характеристикам (и в первую очередь, по времени непрерывного нахождения под водой) сравнимые с атомными ПЛ. Воздухонезависимые энергетические установки (ВНЭУ) НАПЛ могут иметь в своем составе тепловые двигатели различного типа или химические источники тока.

В качестве тепловых двигателей перспективных ВНЭУ подводных объектов могут использоваться дизельные установки замкнутого цикла, двигатели Стирлинга, паротурбинные и газотурбинные установки замкнутого цикла. Причем двигатель Стирлинга является малошумным двигателем с внешним подводом теплоты и может использоваться как для привода движителя, так и для подзарядки аккумуляторных батарей.

Дизель замкнутого цикла способен обеспечить подводный ход в пределах полной автономности НАПЛ. Этот двигатель обладает минимальной стоимостью разработки и изготовления по сравнению с другими типами ВНЭУ, низкими массогабаритными показателями, низким потреблением электроэнергии на собственные нужды.

Паро- и газотурбинные установки замкнутого цикла используют для выработки тепловой энергии жидкостные и твердотопливные газогенерирующие генераторы на гидрореагирующем топливе, а также другие источники.

Воздухонезависимые ЭУ на основе химических источников тока предполагают использование в своем составе, в первую очередь, электрохимических генераторов. В 60-х годах двадцатого столетия были освоены первые промышленные образцы электрохимических генераторов, являющихся, в принципе, такими же статическими источниками тока, как и аккумуляторные батареи, но обладающих значительно большей энергоемкостью. ЭУ с электрохимическими генераторами системы водород-кислород получили распространение в космической технике, одновременно были начаты поиски возможностей использования их на подводных лодках.

Одной из основных научно-технических проблем, решением которой занимаются проектировщики НАПЛ с ВНЭУ на основе электрохимических генераторов, является проблема, связанная с созданием простой, надежной и безопасной системой храпения и подачи водорода к топливным элементам. Электрохимические генераторы позволяют превращать энергию водорода в электроэнергию. И здесь побочным продуктом является вода, которая может быть использована для технических и бытовых нужд на подводном объекте.

Наиболее перспективным направлением в области создания анаэробных энергетических установок является использование в них двигателей Стирлинга. Бесшумность в работе, высокий к. п.д. (до 40 %), многотопливность и значительный моторесурс современных двигателей Стирлинга (около 60 тыс. часов), позволяют рекомендовать его как универсальный двигатель для всех типов НАПЛ — малого, среднего и большого водоизмещения, а также для большинства типов подводных аппаратов, использование которых возможно в интересах геологоразведки, освоения континентального шельфа, экологического мониторинга, ликвидации последствий аварий на море и т. д. [4].

В настоящее время по пути создания анаэробных энергетических установок с двигателями Стирлинга идут большинство кораблестроительных фирм Швеции, Франции, Японии, Австралии и США. Все реально эксплуатируемые в мире НАПЛ с анаэробными установками используют двигатель Стирлинга.

Принцип действия двигателя Стирлинга

Данный тепловой двигатель был изобретен Робертом Стирлингом в 1816 г. Газ, используемый в качестве рабочего тела двигателя Стирлинга, нагревается не в результате сжигания в нем топлива, а от горячих стенок, поэтому после совершения одного рабочего цикла не заменяется, как в ДВС, а используется повторно. Таким образом, двигатель Стирлинга, в отличие от ДВС, является двигателем с внешним подводом теплоты (ДВПТ).

Идеальный цикл Стирлинга

Рис. 1. Идеальный цикл Стирлинга

Идеальный цикл ДВПТ (рис. 1) состоит из двух изотерм и двух изохор. В этом цикле теплота, отводимая от рабочего тела в изохорном процессе при его охлаждении, не уходит из цикла, а передается рабочему телу в процессе изохорного нагревания, т. е. теплота подводится в цикле только при изотермическом расширении, а отводится только при изотермическом сжатии. Очевидно, что термический КПД идеального цикла ДВПТ равен термическому КПД цикла Карно.

Устройство двигателя Стирлинга

Принципиальная схема двигателя Стирлинга представлена на рис. 2. Поршень 4 посредством штока 6 соединяется с траверсой 7. Один из концов траверсы через шатун 9 крепится к кривошипу 10, а другой через шатун 15 — к кривошипу 14. Вытеснитель 2 посредством штока 5 соединяется с траверсой 12, которая крепится к кривошипам 10 и 14 через шатуны 11, и 13. При одинаковой длине шатунов 9, 11, 13 и 15 образуется ромбическая фигура, у которой при движении изменяются только величины углов. В этом случае зубчатые колеса 8 и 16 всегда обеспечивают симметричную систему привода, связывающую между собой два коленчатых вала, когда выходная мощность может сниматься с любого из них.

Читайте также:  Теория этапов становления по Ж Годфруа

Сальники 17 и ^способствуют образованию под поршнем 4 замкнутой цилиндрической полости 18у которую называют буферной полостью. Данная полость посредством капиллярной трубки сообщается с рабочей полостью и заполняется тем же газом, что используется в качестве рабочего тела.

Поршень-вытеснитель 2 в процессе возвратно-поступательного движения перемещает газ в одну из двух полостей, из которых нижняя находится при постоянной низкой температуре (холодная полость 3) а верхняя — при постоянной высокой температуре (горячая полость 1). Движение поршня-вытеснителя 2 сопровождается перетечкой газа либо из горячей полости 1 по каналам нагревателя 22 через регенератор 21 у канала охладителя 20 в холодную полость, либо в обратном направлении. Конструкция нагревателя определяется типом источника теплоты, например, при использовании жидкого или газообразного топлива нагреватель будет представлять собой камеру сгорания постоянного давления.

Принципиальная схема ДВПТ с ромбическим приводом: 1 — горячая полость: 2 — поршень-вытеснитель; 3 — холодная полость; 4 — поршень; 5 -шток вытеснителя; 6 — шток поршня; 7, 12 — траверсы; 8, 16 — шестерни; 9, 11, 13, 15 — шатуны; 10, 14 — кривошипы коленчатых валов; 17, 19 — сальники; 18 — буферная полость; 20 — охладитель; 21 — регенератор; 22 — нагреватель

Рис. 2. Принципиальная схема ДВПТ с ромбическим приводом: 1 — горячая полость: 2 — поршень-вытеснитель; 3 — холодная полость; 4 — поршень; 5 -шток вытеснителя; 6 — шток поршня; 7, 12 — траверсы; 8, 16 — шестерни; 9, 11, 13, 15 — шатуны; 10, 14 — кривошипы коленчатых валов; 17, 19 — сальники; 18 — буферная полость; 20 — охладитель; 21 — регенератор; 22 — нагреватель

На рис. 3. представлена одна из возможных функциональных схем систем модуля с ДВПТ применительно к подводному аппарату. ДВПТ приводит во вращение электрогенератор ЭГ, электрический ток которого поступает на гребной электродвигатель (не показан на схеме). Жидкий кислород и дизельное топливо для работы ДВПТ хранятся в сферических или цилиндрических емкостях в зависимости от архитектуры подводного аппарата.

Функциональная схема систем модуля с ДВПТ

Рис. 3. Функциональная схема систем модуля с ДВПТ

Охлаждение ДВПТ осуществляется пресной водой, которая, в свою очередь, отдает теплоту заборной воде в поверхностном теплообменнике. В данной схеме циркуляция забортной воды осуществляется центробежным насосом.

От всех известных преобразователей энергии прямого цикла (дизелей, паровых и газовых турбин, карбюраторных двигателей внутреннего сгорания, ЭХГ и др.), которые могут использоваться в составе анаэробных установок, двигатели Стирлинга выгодно отличаются целым рядом качеств, которые обуславливают перспективу их применения на НАПЛ [5]:

– практическая бесшумность в работе из-за отсутствия взрывных процессов в цилиндрах двигателя и клапанного механизма газораспределения и достаточно плавного протекания рабочего цикла при относительно равномерном крутящем моменте, что напрямую влияет на акустическую скрытность ПЛ — главную составляющую обобщенного показателя — «скрытность ПЛ»;

– высокий к. п.д. до 40 %, что значительно превосходят лучшие образцы дизелей и карбюраторных ДВС;

– возможность выполнить двигатели Стирлинга многотопливными, т. е. использовать в качестве горючего несколько типов углеводородного топлива (соляр, сжиженный природный газ, керосин и др.), что повысит боевую устойчивость НАПЛ;

– эксплуатация двигателей Стирлинга, работающих на традиционном топливе, не требует создания сложной береговой инфраструктуры, в отличие от ЭХГ, т. к. используется уже существующая береговая инфраструктура флота, более того, при необходимости, возможна организация базирование НАПЛ в недостаточно оборудованных пунктах, т. е. НАПЛ не будет «привязана» к существующим базам ВМФ, что существенно повысит ее мобильность и боевую устойчивость;

– моторесурс современных двигателей Стирлинга составляет от 20 до 50 тыс. часов, что от 3 до 8 раз превышает срок жизни ЭХГ (около 6 тыс. часов);

– при полном сроке эксплуатации ПЛ (25–30 лет) применение двигателей Стирлинга позволит сократить необходимое количество подводных лодок на 35–40 %, по сравнению с практикой применения анаэробных установок с ЭХГ и т. д.

Недостатки ДВПТ также очевидны:

– высокая стоимость ДВПТ по сравнению с ДВС;

– сложности системы регулирования;

– повышенные по сравнению с ДВС масса и габариты;

– высокое (по сравнению с топливными элементами) потребление жидкого кислорода, что снижает автономность НАПЛ по его запасам;

– низкое значение агрегатной мощности ДВПТ (не более 75 кВт на сегодняшний день);

– наличие акустической заметности НАПЛ с ДВПТ, вызываемой как движущимися частями двигателя, так и газовым выхлопом за борт;

– потребности в высоких технологиях изготовления деталей и узлов, в обеспечении их производства конструкционными материалами, способными работать при высоких температурах [1, 2].

Проведенный анализ перспектив развития различных типов двигателей позволяет утверждать, что наибольший интерес представляют собой двигатели, работающие по циклу Стирлинга. АНЭУ с двигателями Стирлинга обладают рядом преимуществ перед ДЗЦ: относительно низкий уровень воздушных шумов (на 20–40 дБ) и вибраций (до 5–3 0 дБ); более высокий КПД, особенно на частичных нагрузках, позволяющий сэкономить до 20 % топлива (по сравнению с ДВС). Двигатель Стирлинга, установленный на правильно подобранных амортизаторах, создает менее мощное акустическое поле, чем ДВС [3].

Вместе с тем двигатели Стирлинга отличаются увеличенными, по сравнению с ДВС, массами и габаритами, высокой стоимостью и, кроме того, сложностью регулирования. В настоящее время в мире именно на основе двигателей Стирлинга проектируется и эксплуатируется наибольшее количество АНЭУ для ПЛ.

Так, в 1996–1998 гг. в Швеции сдана в эксплуатацию серия из трех ПЛ с двигателями Стирлинга (типа «Gotland». В 1998 г. успешно прошла испытания французская ПЛ «Saga-1» с анаэробной системой на основе двигателя Стирлинга. в Японии фирмой Mitsubichi Heavy Industries испытан двигатель Стирлинга мощностью более 600 кВт для новой ПЛ с ЕД. В Германии фирмой MAN для перспективных ПЛ разрабатывается двигатель Стирлинга мощностью 700 кВт. Двигатели Стирлинга относятся к классу двигателей с внешним подводом тепла, что обуславливает особенность их работы. Процесс горения осуществляется вне рабочих цилиндров и протекает более равновесно, рабочий цикл реализуется в замкнутом внутреннем контуре при относительно малых скоростях повышения давления в цилиндрах двигателя, плавном характере теплогидравлических процессов рабочего тела внутреннего контура, при отсутствии газораспределительного механизма клапанов.

Специалистами ВРПСУ и ГУП «Центр «Меркурий»» разработано несколько принципиальных схем АНЭУ с двигателями Стирлинга, работающими на сжиженных природном газе и кислороде. Выбор в качестве горючего природного газа определяется его уникальными физико-химическими свойствами, громадными разведанными и разработанными запасами, развитой сетью его доставки во многие регионы страны по магистральным газопроводам и низкой ценой.

Выбор криогенного состояния компонентов топлива — природного газа и кислорода — определяется в основном исходя из опыта создания топливных систем других транспортных средств. Практика показывает, что применение криогенных (сжиженных) компонентов топлива позволяет снизить массу топливных систем в 2–3 раза, а объем в 1,5 раза.

Согласно результатам технико-экономических расчетов, система производства, хранения и распределения сжиженного природного газа (СПГ) имеет лучшие показатели, чем для компримированного (сжатого) природного газа (КПГ). Так, при масштабном производстве СПГ удельные капиталовложения ниже на 25–30 %, себестоимость производства меньше на 40 %, а суммарные приведенные затраты на производство, доставку и распределение ниже на 10–30 %, чем для КПГ.

Таким образом, АНЭУ с двигателями Стирлинга, работающими на сжиженных природном газе и кислороде, представляются в настоящее время наиболее привлекательными в экономическом отношении.

Для решения проблемы отработанных газов предполагается применять системы, как с внутренней утилизацией, так и с удалением их за борт ПЛ. При погружении лодки на глубину до 300–400 м продукты сгорания можно удалять непосредственно за борт ПЛ без применения компрессора. Давление, необходимое для этого, создается за счет применения камеры сгорания высокого давления двигателя Стирлинга и поддержания в трубопроводах системы сжигания топлива давления 3 Мпа. Однако при дальнейшем увеличении глубины погружения ПЛ для удаления отработанных газов необходим компрессор, что усложняет анаэробную установку и ухудшает ее виброшумовые характеристики. Поэтому целесообразно конденсировать или использовать продукты сгорания топлива внутри ПЛ, что позволяет применять камеру сгорания низкого давления и исключает необходимость выброса отработанных продуктов за борт.

Для обеспечения полноты сгорания СПГ предлагается подавать в камеру сгорания двигателя Стирлинга избыточный кислород по сравнению с количеством, которое определяется стехиометрическим соотношением. В последующем СО2 и Н2О из отработанных газов вымораживаются или частично возвращаются в топливный цикл вместе с не прореагировавшим кислородом. Данный подход позволяет также избежать нагарообразования на теплообменных поверхностях камеры сгорания и исключить попадание токсических газов в обитаемые помещения ПЛ.

С целью создания анаэробных энергетических установок для подводных лодок XXI века, конкурентоспособных на мировом рынке по скрытности и продолжительности автономного подводного плавания, может выполнить следующие виды работ [4]:

– разработать принципиальные схемы анаэробных установок на основе двигателей Стирлинга с различными видами горючего (дизельное топливо, сжиженный природный газ и т. д.);

– выполнить технико-экономическое обоснование выбора наиболее перспективного варианта анаэробной установки на основе двигателей Стирлинга для современной НАПЛ;

– определить массогабаритные характеристики основного энергетического оборудования, запасов материальных сред и участвовать в работе по компоновке энергоустановки в отсеке–модуле НАПЛ;

– обеспечить поставку, монтаж и сервисное обслуживание серийно выпускаемых двигателей Стирлинга для анаэробных установок современных НАПЛ;

– организовать создание опытно-промышленных образцов и мелкосерийное производство российских двигателей Стирлинга необходимой мощности для перспективных российских НАПЛ;

– обеспечить координацию взаимодействия предприятий по производству и поставке оборудования для анаэробных установок на основе двигателей Стирлинга;

– разработать эксплуатационную документацию по использованию анаэробных установок на основе двигателей Стирлинга на НАПЛ.

Читайте также:  Видеоурок по установке macOS Big Sur USB

Источник

Современный двигатель Стирлинга

Двигатель Стирлинга альтернативный источник электричества и тепла

Генерация электроэнергии почти всегда связана с появлением побочного продукта – тепла. Даже фотоэлементы нагреваются, что снижает их КПД. Однако есть целый кластер устройств, в которых тепло не рассеивается, а может быть использовано для бытовых нужд. Сердце таких генераторов – двигатель Стирлинга.

Двигатель внешнего сгорания

Базовое отличие двигателя Стирлинга в том, что топливо сгорает не внутри цилиндра, а снаружи. Следовательно, внутреннее пространство остаётся герметичным и идеально чистым, без нагара и необходимости его обслуживания. Работает он практически бесшумно, так как нет детонации обогащённой топливной смеси.

Остальные достоинства можно обозначить так:

  • Абсолютная экологическая безопасность.
  • Простейшая конструкция обеспечивает высокую надёжность.
  • Чрезвычайно высокий моторесурс.
  • Всеядность по отношению к источнику тепла.
  • Очень высокий КПД.

Обеспечить более полное сгорание топлива гораздо легче снаружи цилиндра, чем внутри. Нагрев можно проводить не только углеводородными энергоносителями, но энергией Солнца , используя высокотемпературные солнечные концентраторы . В такой комбинации, КПД альтернативного генератора электроэнергии превышает 30%!

Для сравнения – лучшие серийные фотоэлементы демонстрируют КПД только 24%. Именно бесшумность была решающим фактором для установки двигателя Стирлинга на подводные лодки последних серий в Японии и Швеции.

В середине 80-х годов 20-го века, в США собрали и установили двигатель Стирлинга в автомобиль Chevrolet Celebrity!(Chevrolet Celebrity MOD 2 Stirling)

Результаты были поразительны: глушитель, смазка и катализаторы были уже не нужны, экономия топлива достигала 45%, а ускорение практически не изменилось.

Но у них есть и недостатки.

Для получения максимально достижимого на практике КПД, необходимо обеспечить очень высокую разницу температур в холодной и горячих частях цилиндра. В противном случае, снижается «удельная мощность».

Идеальным рабочим телом (газом) является водород, но его молекулы настолько малы, что им удаётся «напитывать» материал цилиндра. Следующий по эффективности газ – гелий, но он дорогой. А КПД снижается на 5%. Но можно использовать и азот, и аммиак, и даже осушенный воздух. Но мощность будет ниже идеальной.

Серийные генераторы и микроТЭЦ на двигателе Стирлинга

Однако все эти недостатки не помешали фирме «Филипс» (Philips Stirling Engine), создать для массового производства проект переносного электрогенератора Стирлинга модель MP1002CA ещё в начале 50-х годов.

Он был предназначен для работы от любого горючего, вплоть до пальмового масла, и генерировал 0,2 кВт электроэнергии. Обиходное название – « Генератор для бунгало». Но к моменту производства, выяснилось, что он не может конкурировать по стоимости с аналогами на двигателе внутреннего сгорания. Поэтому их выпустили не более пятнадцати дюжин. И те разошлись по учебным заведениям, для наглядной демонстрации.

В наше время небольшие фирмы разрабатывают аналогичные устройства. Например в г. Магнитогорске, фирма «ЭНЕРГОТОНИКА» выпускает многотопливный мини теплоэлектрогенератор с двигателем Стирлинга ГДС-150.

Его масса всего 37 кг, он может работать на любом топливе, хоть на дровах, хоть на газе.

В режиме 7/24 работает несколько месяцев. Но в таком режиме он вырабатывает 0,2 кВт электричества + тепло для отопления. На короткий промежуток устройство выдаёт до 1кВт.

К коттеджу такой источник альтернативной энергии не подключишь, а вот в лесной заимке, охотничьей сторожке, на рыбацком стане или в избушке лесника, или для кемпинга ГДС-150 будет вписываться идеально.

Для частного жилого дома «ЭНЕРГОТОНИКА» под заказ выпускает микроТЭЦ «АМТЭС-5/25ДО». Работает она на дровах (опилки, щепки, стружка), выдаёт в час 5 кВт электроэнергии и 25 кВт тепла, стоит 850 т.р.

Корейская фирма выпускает аналогичное устройство Navien Hybrigen SE.

Работает он на газе, и производит только 1 кВт электричества, а по цене гораздо дороже — 1,07 млн. р.

Немцы выпускают микроТЭЦ VITOTWIN 300-W Mikro-KW. Используя только газ, установка выдаёт 1 кВт электрической энергии и 6 кВт тепла. Стоит более 20,5 т. евро.

Обратите внимание, что все эти микроТЭЦ работают на двигателе Стирлинга. Только в западных странах они называются «m-CHP»

Сложности отечественного производителя

По техническим параметрам, российские микро ТеплоЭлектростанЦии на двигателе Стирлинга ни чем не уступают иностранным аналогам, а даже превосходят их по «всеядности». В ценовом сегменте они тоже выигрывают, но при внимательно изучении, оказывается, что стоимость может быть снижена в 3-5 раз!

Руководитель фирмы «ЭНЕРГОТОНИКА» Виктор Закомолдин дал довольно подробное объяснение. Оказывается в России абсолютно разрушены все производственные мощности, которые раньше выпускали простейшие комплектующие для дизельных двигателей и другие мелкие детали. Закупать их приходится в Китае. А доставка с растаможкой увеличивает стоимость в 7-10 раз! Политика Господдержки, объявленная правительством, оказалась фикцией.

При выходе на серийное производство из отечественных комплектующих, стоимость всей выпускаемой продукции будет снижена в 3,5-5 раз! Какая может быть тогда конкуренция, у немецкой m-CHP ценой 1,7 млн. руб, с отечественной микроТЭЦ за 300 т.р., если по техническим характеристикам Российский аналог уже вышел в отрыв.

С такой микроТЭЦ на двигателе Стирлинга, жильё станет на 100% энергонезависимым. Например, можно поставить коттедж в поле, и к нему не надо будет тянуть линию электропередач и газопровод! А одна проектная разработка этих коммуникаций будет стоить гораздо больше миллиона. Впоследствии, предстоит оплачивать постоянно растущие тарифы на газ и электроэнергию.
В составе магнитогорской микроТЭЦ, имеется бункер на 0,7 куб. м. Одной полной загрузки хватает на 2 суток беспрерывной работы. Тепло можно использовать не только для отопления жилья, но и для бани, хранить в теплоаккумуляторе.
И главное ничего не надо изобретать! Всё уже имеется, но крупные заказчики ориентированы на углеводородные энергоносители, и привязку потребителя к центральным энергосетям.

Может быть после окончания эпидемии коронавируса COVID-19, ситуация начнёт исправляться. Но пока до 70% деталей закупается в Китае, изменений ждать не приходится.

Альтернативные источники тепла для генератора Стирлинга

Скрупулёзное изучение разных подходов в генерации электричества с использованием альтернативных источников энергии вскрыли любопытную особенность. Оказывается, что при комбинации высокотемпературных солнечных концентраторов с двигателем Стирлинга, КПД системы повышается до 34%!

Начиная с 2005 года, сначала в США, затем в Испании и даже в Великобритании, начали устанавливать альтернативные генераторы электричества , для которых не требовались такие высокотехнологичные материалы как фотоэлементы. Схематично такую конструкцию можно представить как параболическое зеркало, в фокусе которой помещали генератор на двигателе Стирлинга.

Эффект был потрясающий! Такое сочетание простейших устройств практически не имело недостатков:

  • Бесшумность работы;
  • Отсутствие любых выбросов в атмосферу;
  • Двигатели не требуют обслуживания;

Для работы в ночное время, разработчики придумали хитрую систему накопления избыточной тепловой энергии в локальных подземных теплоаккумуляторах .

Нагретый теплоноситель закачивается в небольшие подземные хранилища с высокой степенью теплоизоляции в течении светового дня. Ночью по системе изолированных трубопроводов этот теплоноситель подаётся на рабочий цилиндр генератора Стирлинга, и генерация не останавливается. Производительность снижается почти на 50%, но выработка электроэнергии идёт безостановочно круглые сутки!

Преимущество перед солнечными панелями проявлялось и в стабильности работы при переменной облачности. Ведь если Солнце закрывается облаками, то фотоэлементы резко снижаются производительность, а альтернативный генератор Стирлинга продолжает работать.

Одна такая солнечная тарелка Стирлинга на пике вырабатывает 34 кВт электроэнергии. Компания United Sun Systems с 2015 года выпустила более 20 тысяч таких устройств. Успешно функционируют серьёзные электростанции, например Imperial или Calico, которые генерируют более 800 МВт электроэнергии с самой низкой себестоимостью.

Некоторые из выпускаемых конструкцию, например SunCatcher, хорошо масштабируются, и небольшие солнечные тарелки Стирлинга мощностью 3-5 кВт устанавливаются на крышах зданий с 2010 года.

Альтернативный генератор Стирлинга в свой дом

Этот сегмент альтернативной энергетики практически не освоен на постсоветском пространстве. Сказывается политика правительства, которая препятствует развитию на практике альтернативной энергетики. Упор делается на нефтегазовый сектор, как в колониальных странах.

Для личных нужд, умельцы такую перспективную комбинацию начнут рассматривать в ближайшее время. Сразу, как только окончится переформатирование страны, скрытой под маской коронавирусной эпидемии COVID-19.

Источник

Двигатель Стирлинга: концепция, конструкция, принцип работы

Двигатели логично рассматривать продуктом промышленной революции. Первой «ласточкой» отметились паровые конструкции, работающие на угле. Следом появились более чистые и более эффективные бензиновые моторы. Самыми современные конструкции представляют уже реактивные двигатели. Основная концепция такой конструкции очевидна — разница между высокой и низкой температурой. Эта концепция фактически не изменилась за пару сотен лет, несмотря на достигнутые улучшения. Между тем, среди всего разнообразия существующих концепций привлекает внимание двигатель Стирлинга (автор Роберт Стирлинг 1816 год), напоминающий паровую систему, но не предполагающий использование пара. Рассмотрим подробнее эту конструкцию.

СОДЕРЖИМОЕ ПУБЛИКАЦИИ :

Идеальный двигатель – есть ли такой, в принципе?

Паровые, либо двигатели внутреннего сгорания, — оба типа используют тепловую энергию, благодаря которой газ расширяется, а затем охлаждается. Зависимостью разницы температур определяется эффективность конструкция двигателя. Теория работы идеального двигателя подкреплена наукой о термодинамике и теоретической моделью, демонстрирующей моменты:

  • расширения,
  • сжатия,
  • нагрева,
  • охлаждения газа в цикле.

Прежде чем рассматривать конструкцию двигателя Стирлинга, не лишним будет рассмотреть недостатки паровых двигателей. Понятно, что сформированный от нагрева воды пар движется по трубе в цилиндр через открытый входной клапан, где толкает поршень и приводит в движение колесо, связанное с поршнем.

Читайте также:  Автосигнализация StarLine A93 v2 2CAN 2LIN

Затем входной клапан закрывается и открывается выходной клапан. Импульс движения колеса заставляет поршень возвращаться в цилиндр и выталкивать охлажденный пар через дымовую (паровую) трубу.

Конструкция парового двигателя далеко не идеальна. Во всяком случае, есть четыре очевидных недостатка.

  1. Котёл производит пар высокого давления, поэтому всегда существуют риски взрыва.
  2. Котёл конструктивно располагается на некотором расстоянии от цилиндра, поэтому очевидны потери энергии.
  3. Выбрасываемый отработанный пар также способствует потерям энергии.
  4. Паровой двигатель потребляет огромное количество воды и топлива.

Конструкция двигателя Стирлинга

Отмеченные выше недостатки, между тем, вполне допустимо устранить. Например, избавиться от котла (устраняя опасность взрыва), а также использовать тепло огня для непосредственного питания двигателя. Тогда, вместо того чтобы использовать пар для перемещения тепловой энергии, можно использовать обычный воздух (или другой газ) для перемещения тепловой энергии.

Если поместить эту газовую составляющую внутрь закрытой трубы, и организовать движение взад и вперед снова и снова. Так можно получать энергию, исключив фактор постоянной подачи воды.

Наконец, есть смысл добавить в конструкцию теплообменник, чтобы энергию горячего газа удерживать внутри машины с последующим использованием повторно для повышения общей эффективности. Это и есть основные способы, которыми выделяется двигатель Стирлинга, как существенная модернизация паровой конструкции.

Существуют регенеративные тепловые двигатели Стирлинга замкнутого цикла, которые в целом соответствуют описанной выше концепции. Регенеративная конструкция указывает на использование теплообменников для сохранения части тепла, которое в противном случае теряется в каждом цикле.

Простота и сложность конструкции

Некоторыми инженерами двигатели Стирлинга видятся достаточно простым исполнением. Однако в реалии это достаточно сложные конструкции, работу которых объяснить сможет далеко не каждый инженер.

Существует множество различных конструкций двигателей Стирлинга. Однако здесь будет рассмотрен один конкретный тип исполнения, известный как «вытеснитель» (бета-двигатель Стирлинга). Исполнение характерно наличием следующих ключевых частей:

  1. Источник тепла.
  2. Газ.
  3. Радиатор.
  4. Поршни.

Источник тепла – любой энергетический ресурс, от сжигания угля, до тепла солнечного зеркала. Несмотря на тот факт, что двигатели Стирлинга описываются как устройства внешнего сгорания, фактически такие системы вообще не используют функцию сжигания топлива. Такому исполнению системы необходима только разница температур между источником тепла и радиатором.

По сути, допустимо управлять небольшим двигателем Стирлинга при помощи:

  • тепла чашки кофе,
  • тепла ладони руки,
  • температуры кубика льда.

Энергия, которую выдаёт двигатель Стирлинга, формируется от любой разницы температур между источником тепла и радиатора. Между тем следует учитывать, что малый двигатель Стирлинга содержит лишь относительно небольшое количество энергии, которая очень быстро расходуется.

Газовая составляющая

Закрытый баллон внутри машины постоянно содержит некоторый объём газа. Газовой средой может быть:

  • обычный воздух,
  • водород,
  • гелий,
  • другой газ.

При этом вещество остаётся в газообразном состоянии при нагревании и охлаждении в течение полного цикла двигателя. Единственная цель газовой составляющей — передача тепловой энергии от источника тепла к радиатору с последующим питанием поршня, который приводит машину в движение.

Радиаторная часть конструкции

Область, где горячий газ охлаждается, прежде чем возвращается к источнику тепла. Обычно конструкция радиатора представляет собой трубчатый металл, оснащённый ребристыми гранями, отводящими отработанное тепло в атмосферу.

Поршни рабочего цикла

Существуют различные типы двигателей Стирлинга, но практически все имеют два поршня. Этим двигатели Стирлинга отличаются от других конструкций. В классической конструкции, называемой альфа-двигателем Стирлинга, имеются два одинаковых поршня и цилиндра. Между этими деталями движутся газовые заслонки, которые нагреваются и расширяются, затем охлаждаются и сжимаются до повторения цикла.

Конструкция, называемая «вытесняющей» (бета-двигатель Стирлинга), имеет поршень, которым перемещается газ между источником тепла и радиатором. В отличие от обычного поршня парового двигателя, «вытеснитель» устанавливается свободно внутри цилиндра, благодаря чему газ обтекает поршень в моменты движения вперёд и назад.

Имеется также рабочий поршень, плотно прилегающий к цилиндру, превращающий расширение газа в полезную работу. Более крупные конструкции двигателей Стирлинга содержат рабочий поршень, как правило, имеющий тяжёлый маховик. Маховик способствует быстрому набору оборотов и обеспечивает бесперебойный рабочий процесс.

Рабочий поршень и поршень «вытеснителя» постоянно движутся, но не совпадают по фазе (отклонение фазы на 90°) один с другим. Поршни, между тем, приводятся в действие одним и тем же колесом, но поршень «вытеснителя» всегда на четверть цикла (90°) опережает в движении рабочий поршень.

Конструкция теплообменника двигателя Стерлинга

Теплообменник (регенератор) располагается в закрытой камере между источником тепла и радиатором. Когда горячий газ проходит мимо регенератора, часть тепла отбирается металлом теплообменника и удерживается.

По мере возвращения газа назад, тепло вновь отбирается. Без регенератора отбираемое тепло было бы потеряно в атмосфере, то есть — потрачено впустую. Теплообменник значительно повышает эффективность и мощность двигателя. Некоторые двигатели Стирлинга имеют несколько теплообменников.

Как работает двигатель Стирлинга по типу «вытеснитель»?

Аналогично паровому или автомобильному двигателю внутреннего сгорания, двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию в механическую энергию (работу), повторяя серию основных операций – режим цикла.

Практически это выглядит процессом, когда газ попеременно расширяется и сжимается, а в промежутках между этими фазами перемещается от горячей стороны цилиндра к холодной стороне и обратно.

Функция рабочего поршня заключается в использовании энергии расширения газа с передачей действия на привод двигателя. Затем газ сжимается, обеспечивая повторение цикла.

Функция поршня «вытеснителя» направлена на перемещение газа от горячей стороны к холодной стороне баллона и обратно. Работая тандемом, оба поршня обеспечивают многократное перемещение тепловой энергии от источника к радиатору (теплоотводящей системе). Соответственно, с последующим получением полезной механической работы.

Детальное описание функционала

  1. Операция охлаждение – сжатие: большая часть газа содержится в области цилиндра более холодной. Когда оба поршня движутся внутрь (к центру), охлаждённая газовая составляющая сжимается, отдавая часть тепла конструкции радиатора.
  2. Операция перекачка – регенерация: поршень «вытеснителя» перемещается. При этом охлажденный газ перетекает обходным путём в область цилиндра более горячую. Объём газа остаётся постоянным в момент прохождения через регенератор (теплообменник).
  3. Операция нагрев – расширение: большая часть газа располагается в области цилиндра «горячая». Газ нагревается огнём (или другим источником тепла), отчего давление газовой составляющей повышается. Налицо эффект расширения и поглощения энергии. Эффект расширения толкает рабочий поршень, который, в свою очередь, приводит в движение маховик – механическую часть. В этой части цикла двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию в механическую энергию.
  4. Операция передача – охлаждение: поршень «вытеснителя» перемещается, горячий газ перемещается по обходному пути в более холодную часть цилиндра. Объём газа остается постоянным в момент прохождения через регенератор (теплообменник) с отдачей части энергии. Цикл завершён и готов к повторению.

Несмотря на то, что двигатель Стирлинга проходит цикл, заканчивающийся в точке, где начинался, имеет место несимметричный процесс. Энергия постоянно отводится от источника и откладывается в теплообменнике.

Очевидно, что горячий газ выполняет определенную работу с рабочим поршнем в момент расширения, но поршень при этом выполняет меньше работы, сжимая охлажденный газ и возвращая в начало пути.

Теоретическое обоснование полезности двигателя Стирлинга

Не исключаются скептические представления относительно слишком сложной конструкции. Спрашивается, для чего возиться с двумя поршнями, если можно создать простой паровой двигатель на одном? Какой смысл во всех этих отдельно взятых этапах? И нельзя ли сделать всё проще?

Вразумительные ответы на такие вопросы даёт понимание теории двигателей. Действительно эффективный двигатель перемещает газ циклом процессов в соответствии с газовыми законами классической физики, где отмечаются:

  • давление,
  • объём,
  • температура газа.

Идеальный цикл, как известно, открыл физик Карно. Французу Николя Карно удалось описать повторение цикла изотермического (с постоянной температурой) и адиабатического (сохраняющего тепло) расширения, с последующим изотермическим и адиабатическим сжатием.

Так вот, двигатель Стирлинга использует несколько иной цикл, демонстрирующий (в идеале):

  1. Изотермическое сжатие: объём газа уменьшается, а давление увеличивается, тепло при этом передаётся теплообменнику.
  2. Изоволюметрический нагрев: объём газа остается постоянным в момент прохода через регенератор. При этом восстанавливается часть предыдущего тепла.
  3. Изотермическое расширение: газ поглощает энергию от источника, объём газовой составляющей увеличивается, давление уменьшается, температура остаётся постоянной.
  4. Изоволюметрическое охлаждение: объём газа остается постоянным за счёт прохождения через регенератор и эффекта охлаждения.

Реальный двигатель Стирлинга, конечно, демонстрирует более сложную, менее идеальную версию теоретического цикла. Следует отметить: все четыре обозначенные стадии процесса жёстко не разделены, напротив, перекрывают одна другую.

Преимущества и недостатки двигателей Стирлинга

Явным преимуществом двигателя Стирлинга видится более выраженная эффективность по отношению к тем же паровым системам. Исключается необходимость котлов – опасных технологически конструкций, нет нужды запасать воду и создавать сложные системы открывания / закрывания клапанов.

Следует отметить: благодаря отсутствию сложных клапанных систем, двигатели Стирлинга работают тише паровых конструкций. Учитывая возможное применение энергии, получаемой не от источников сжигания топлива, эти конструкции относятся к экологически чистым системам. Поддерживается работа на всевозможных видах топлива.

Среди потенциальных недостатков можно отметить относительно медленный запуск. Обычно требуется время для прогрева теплообменника и маховика, чтобы разогнать систему до рабочей скорости.

Также достаточно сложно проходят процессы остановки. Конструкции требуют радиаторов больших габаритов для эффективного отвода тепла, чем несколько ограничивается применение в отдельных случаях.

Источник